本發(fā)明公開了一種雙模濕度傳感器及其制備方法，確切的說是基于二維二硫化鉬納米薄膜和硅納米線陣列異質(zhì)結(jié)的濕度傳感器及其制備方法。

技術(shù)背景

由于濕度影響著人類生活的方方面面，廣大研究者對濕度傳感器產(chǎn)生了研究興趣。最近，許多研究人員關(guān)注大氣濕度對納米材料電學(xué)性能的影響，如二硫化鉬納米片，石墨烯，碳膜等等。研究結(jié)果表明，濕度氣體可以增大或減小納米材料的電阻。其原理是：濕敏材料直接吸附空氣中的水分子，從而使其電學(xué)性質(zhì)等發(fā)生變化，是檢測輸出信號隨濕度的變化而變化。

近些年來二硫化鉬由于具有良好的電學(xué)、機械和光學(xué)性能，被廣泛研究。二硫化鉬是制備高性能、多功能電子設(shè)備不可或缺的材料，可應(yīng)用于晶體管，傳感器和太陽能電池。作為備受關(guān)注的電子材料，許多研究者十分關(guān)注周圍環(huán)境對二硫化鉬電性能影響。最近，許多研究者對于大氣濕度對納米材料的電學(xué)特性十分關(guān)注，如二硫化鉬納米顆粒、石墨烯和碳膜等。研究結(jié)果表明，濕度氣體可以增加或減小納米級的電阻材料。由于二硫化鉬的納米材料應(yīng)用廣泛，重要的是了解其電性能對濕度的依賴性。這不僅僅是由于其可應(yīng)用于開發(fā)新型濕度傳感器，而且必須考慮大部分電子設(shè)備在大氣環(huán)境中潮濕的地方的應(yīng)用。

硅納米線陣列作為一維硅納米材料的典型代表，除具有半導(dǎo)體所具有的特殊性質(zhì)外，還顯示出不同于體硅材料的場發(fā)射、熱導(dǎo)率及可見光致發(fā)光等物理性質(zhì)。在納米電子器件、光電子器件以及新能源等方面具有巨大的潛在應(yīng)用價值。更重要的是，由于硅納米線陣列與現(xiàn)有硅技術(shù)具有極好的兼容性進而具有極大的市場應(yīng)用潛力。因此，硅納米線陣列極有可能成為一維納米材料領(lǐng)域的一種極有應(yīng)用潛力的新材料。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術(shù)不足，提供一種具有高靈敏度、快響應(yīng)速度、高穩(wěn)定性和雙工作模式的二維二硫化鉬納米薄膜和硅納米線陣列異質(zhì)結(jié)的濕度傳感器，能夠?qū)σ欢ㄏ鄬穸冗M行有效的探測。

本發(fā)明解決技術(shù)問題采用如下技術(shù)方案：

本發(fā)明基于二維二硫化鉬納米薄膜和硅納米線陣列異質(zhì)結(jié)的濕度傳感器，具有如下結(jié)構(gòu)：

通過對n型或p型硅片刻蝕得到在硅片襯底1上的硅納米線陣列2；將二維二硫化鉬納米薄膜3轉(zhuǎn)移到硅納米線陣列2表面；通過熱蒸發(fā)或電子束鍍膜等方法在二維二硫化鉬納米薄膜表面制備第一金屬電極4；在硅片襯底1上制備第二金屬電極5。

換言之，本濕度傳感器具有如下結(jié)構(gòu)：在硅片襯底1上有一層通過刻蝕得到的硅納米線陣列2，在硅納米線陣列2頂部有二維二硫化鉬納米薄膜3，在二硫化鉬薄膜3上設(shè)有第一金屬電極4，在硅片襯底1上有第二金屬電極5；以第一金屬電極4作為輸出極，第二金屬電極5作為另一輸出極。

優(yōu)選的方案是，所述第一金屬電極4、第二金屬電極5可以是金、銀、鉑、鋁、銅和/或鈦。

優(yōu)選的方案是，二維二硫化鉬納米薄膜3的厚度在0.65納米到100納米范圍內(nèi)。

優(yōu)選的方案是，通過金屬輔助刻蝕法對n型或p型硅片刻蝕得到硅納米線陣列2，硅納米線陣列2中的每根硅納米線的長度在1微米到100微米之間，直徑在10納米到1微米之間。

本濕度傳感器的性能為：

本濕度傳感器在5v正向偏壓為的條件下，在相對濕度11％，33％，54％，75％，85％和95％時，與干燥空氣轉(zhuǎn)換隨時間的動態(tài)響應(yīng)靈敏度依次為60％，141％，194％，277％，372％，392％；響應(yīng)與恢復(fù)時間為26.4秒和15.1秒。

而當(dāng)本濕度傳感器在-5v負向偏壓為的條件下，在相對濕度11％，33％，54％，75％，85％和95％時，與干燥空氣轉(zhuǎn)換隨時間的動態(tài)響應(yīng)靈敏度依次為135％，303％，601％，1233％，1832％，2967％。響應(yīng)與恢復(fù)時間為22.2秒和11.5秒。

二維二硫化鉬納米薄膜是通過兩步熱分解法制備得到的，包括如下步驟：

(1)依次用丙酮、乙醇和去離子水分別超聲清洗二氧化硅襯底若干分鐘，并烘干；

(2)用氬等離子體處理上述襯底10分鐘；

(3)將0.25克(nh4)2mos4加入20毫升二甲基甲酰胺配成質(zhì)量比為1.25％的溶液，并進行磁力攪拌2小時；

(4)用旋涂法將其旋涂在襯底上，旋涂速度為500轉(zhuǎn)每分鐘旋涂10秒，5000轉(zhuǎn)每分鐘旋涂30秒，并烘干以形成(nh4)2mos4薄膜；

(5)(nh4)2mos4薄膜在500攝氏度、通入氬氫混合氣體、壓力保持1.1托、退火60分鐘，然后在800攝氏度、通入氬氣和硫蒸汽混合氣體、壓力保持525托退火40分鐘以形成mos2薄膜。

硅納米線陣列是采用金屬輔助化學(xué)刻蝕法制備的，包括如下步驟：

(1)把硅片依次用丙酮、乙醇以及去離子水超聲清洗若干分鐘；

(2)將清洗干凈的硅片用氬等離子處理十分鐘，放入5％的hf中，去除表面形成的氧化成，5秒后取出，用去離子水漂洗并用氮氣吹干；

(3)將硅片立即放入5毫摩爾每毫升的氫氟酸和0.02毫摩爾每毫升的硝酸銀混合溶液中，并輕輕搖動溶液，刻蝕若干分鐘，形成硅納米線陣列，取出用去離子水漂洗；

(4)放入稀釋的硝酸溶液中，去除表面的銀膜，然后取出用去離子水清洗，用氮氣吹干其表面，完成硅納米線陣列的制備。

二維二硫化鉬納米薄膜的轉(zhuǎn)移到硅納米線陣列上是通過如下步驟完成的：

(1)將聚甲基丙烯酸甲酯溶在苯甲醚中，配成50毫克每毫升的溶液，在五六十度下加熱幾個小時，使聚甲基丙烯酸甲酯完全溶解；

(2)將有二硫化鉬薄膜的硅片上旋涂一層聚甲基丙烯酸甲酯；

(3)將涂有聚甲基丙烯酸甲酯樣品放入1摩爾每升的koh溶液中，約幾個小時后，把剝離下來的薄膜轉(zhuǎn)移至去離子水中清洗，轉(zhuǎn)移至所需襯底上，烘干，并用丙酮、去離子水沖洗，晾干即可。

與已有技術(shù)相比，本發(fā)明有益效果體現(xiàn)在：

本發(fā)明設(shè)計了一種二維二硫化鉬納米薄膜和硅納米線陣列異質(zhì)結(jié)的濕度傳感器，此種結(jié)構(gòu)具有非常高的比表面積和面積體積比，具有非常大與水分子的接觸面積，因此具有較高靈敏度，在-5v電壓，相對濕度為95％的的條件下，其靈敏度高達2967％；并且響應(yīng)速度較快，響應(yīng)和恢復(fù)時間分別為22.2秒和11.5秒；同時具有較高的穩(wěn)定性，在空氣中保持3個月后仍然能夠保持其最初的性能。此外，此濕度傳感器能夠工作在正向電壓和負向電壓兩種模式下，能夠?qū)ο鄬穸葹?1％到95％的范圍進行有效、快速的探測。

附圖說明

圖1為本發(fā)明中的二維二硫化鉬納米薄膜/硅納米線陣列濕度傳感器示意圖，圖中標號：1為硅片，2為硅納米線陣列，3為二維二硫化鉬納米薄膜，4為金屬電極，5為金屬電極。

圖2為硅納米線陣列俯視圖和側(cè)視圖，刻蝕時間為15分鐘，納米線長度為5微米。

圖3為二硫化鉬薄膜的x射線衍射譜圖。

圖4為二硫化鉬薄膜的原子力顯微鏡圖，所測得為二維二硫化鉬納米薄膜的厚度為3.1納米。

圖5為二維二硫化鉬納米薄膜/硅納米線陣列異質(zhì)結(jié)在干燥空氣中的電流電壓曲線圖，可看出此器件具有良好的整流性。

圖6為二硫化鉬薄膜/硅納米線陣列異質(zhì)結(jié)在偏壓為+5v時，電流在相對濕度(11％，33％，54％，75％，85％，95％)與干燥空氣轉(zhuǎn)換隨時間的動態(tài)響應(yīng)，其響應(yīng)度分別為60％，141％，194％，277％，372％，392％。

圖7為二維二硫化鉬納米薄膜/硅納米線陣列異質(zhì)結(jié)在偏壓為-5v時，電流在相對濕度(11％，33％，54％，75％，85％，95％)與干燥空氣轉(zhuǎn)換隨時間的動態(tài)響應(yīng)，其響應(yīng)度分別為135％，303％，601％，1233％，1832％，2967％。

圖8為二維二硫化鉬納米薄膜/硅納米線陣列異質(zhì)結(jié)分別在偏壓為-5v和+5v時，電流在三個月時間內(nèi)的穩(wěn)定性。

圖9為硅納米線陣列的側(cè)視圖，刻蝕時間為20分鐘，納米線長度為7微米。

圖10為二硫化鉬薄膜的原子力顯微鏡圖，所測得為二維二硫化鉬納米薄膜的厚度為6.08納米。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步分析說明。

實施例1：

參見圖1，本實施例二維二硫化鉬納米薄膜和硅納米線陣列異質(zhì)結(jié)的濕度傳感器，具有如下結(jié)構(gòu)：

通過對n型硅片刻蝕得到在硅片1上的硅納米線陣列2；將二維二硫化鉬納米薄膜3轉(zhuǎn)移到硅納米線陣列2表面；通過熱蒸發(fā)鍍膜方法在二硫化鉬薄膜表面制備金屬電極4；在硅片襯底1上制備金屬電極5。

制備方法如下：

二維二硫化鉬納米薄膜3是通過兩步熱分解法制備得到的，包括如下步驟：

(1)依次用丙酮、乙醇和去離子水分別超聲清洗二氧化硅襯底10分鐘，并烘干；

(2)用氬等離子體處理上述襯底10分鐘；

(3)將0.25克(nh4)2mos4加入20毫升二甲基甲酰胺配成質(zhì)量比為1.25％的溶液，并進行磁力攪拌2小時；

(4)用旋涂法將其旋涂在襯底上，旋涂速度為500轉(zhuǎn)每分鐘旋涂10秒，5000轉(zhuǎn)每分鐘旋涂30秒，并烘干以形成(nh4)2mos4薄膜；

(5)(nh4)2mos4薄膜在500攝氏度、通入氬氫混合氣體、壓力保持1.1托、退火60分鐘，然后在800攝氏度、通入氬氣和硫蒸汽混合氣體、壓力保持525托退火40分鐘以形成mos2薄膜。

獲得的二維二硫化鉬納米薄膜3的厚度為3.1納米，如圖4所示。

硅納米線陣列2是采用金屬輔助化學(xué)刻蝕法制備的，包括如下步驟：

(1)把硅片依次用丙酮、乙醇以及去離子水超聲清洗10分鐘；

(2)將清洗干凈的硅片用氬等離子處理十分鐘，放入5％的hf中，去除表面形成的氧化成，5秒后取出，用去離子水漂洗并用氮氣吹干；

(3)將硅片立即放入5毫摩爾每毫升的氫氟酸和0.02毫摩爾每毫升的硝酸銀混合溶液中，并輕輕搖動溶液，刻蝕15分鐘，形成硅納米線陣列，取出用去離子水漂洗；

(4)放入稀釋的硝酸溶液中，去除表面的銀膜，然后取出用去離子水清洗，用氮氣吹干其表面，完成硅納米線陣列的制備。

獲得的硅納米線陣列2的長度約為5微米，如圖2所示。

然后將二維二硫化鉬納米薄膜的轉(zhuǎn)移到硅納米線陣列上，通過如下步驟完成的：

(1)將聚甲基丙烯酸甲酯溶在苯甲醚中，配成50毫克每毫升的溶液，在五六十度下加熱幾個小時，使聚甲基丙烯酸甲酯完全溶解；

(2)將有二硫化鉬薄膜的硅片上旋涂一層聚甲基丙烯酸甲酯；

(3)將涂有聚甲基丙烯酸甲酯樣品放入1摩爾每升的koh溶液中，約幾個小時后，把剝離下來的薄膜轉(zhuǎn)移至去離子水中清洗，轉(zhuǎn)移至所需襯底上，烘干，并用丙酮、去離子水沖洗，晾干即可。

最后，通過熱蒸發(fā)在二硫化鉬薄膜3表面制備50納米厚的金電極4；通過銀漿將銅箔連接到硅片襯底1上作為另一輸出電極5。

通過對此濕度傳感器進行測試得到，在電壓為+5v時，對濕度范圍在11％到95％均有很好的響應(yīng)，其中在相對濕度為11％，33％，54％，75％，85％，95％下的靈敏度分別為60％，141％，194％，277％，372％，392％。響應(yīng)時間和恢復(fù)時間分別為26.4秒和15.1秒，如圖6所示。

在電壓為-5v時，對濕度范圍在11％到95％均有很好的響應(yīng)，其中在相對濕度為11％，33％，54％，75％，85％，95％下的靈敏度分別為135％，303％，601％，1233％，1832％，2967％。響應(yīng)時間和恢復(fù)時間分別為22.2秒和11.5秒，如圖7所示。

在穩(wěn)定性測試中，此濕度傳感器在連續(xù)3個月的時間內(nèi)，電流在+5v和-5v偏壓下均保持了良好的穩(wěn)定性，3個月后仍然能夠維持其初始時的性能，如圖7所示。

實施例2：

本實施例二硫化鉬和硅納米線陣列異質(zhì)結(jié)的濕度傳感器制備方法與實施例1相同，區(qū)別僅在于本實施例中，刻蝕硅納米線的時間為20分鐘，獲得的硅納米線陣列的長度為7微米，如圖9所示。

實施例3：

本實施例二硫化鉬和硅納米線陣列異質(zhì)結(jié)的濕度傳感器制備方法與實施例1相同，區(qū)別僅在于本實施例中，制備二硫化鉬薄膜3時的旋涂速度為500轉(zhuǎn)每分鐘旋涂10秒，2500轉(zhuǎn)每分鐘旋涂30秒，獲得的二硫化鉬薄膜3的厚度約為6.08納米，如圖10所示。